隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，公路、大跨度橋梁、大壩等大型巖土建筑數(shù)量越來越多。而地質(zhì)因素、施工質(zhì)量、建筑老化等問題使巖土建筑的健康狀況的監(jiān)控變得日益迫切，當(dāng)今主流的檢測應(yīng)力方法多為人工定時持應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行實地測量，這就難免導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測的不及時,并產(chǎn)生人為誤差。

本系統(tǒng)主要利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)便捷、成本低和功耗低等優(yōu)點，結(jié)合GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)的運用，實現(xiàn)了對巖土建筑應(yīng)力數(shù)據(jù)的實時采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。在成本方面，大大節(jié)約了以往采用人力監(jiān)測的資源消耗；同時，GPRS網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)技術(shù)的結(jié)合運用，使監(jiān)測方式變得簡單易行，并更具可操作性[1]。

系統(tǒng)主要利用了無線收發(fā)芯片、低功耗單片機(jī)以及GPRS模塊，通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點將從巖土建筑采集得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)測人員手中，從而實現(xiàn)了遠(yuǎn)程實時監(jiān)測的目的。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點組成，通過寫入?yún)f(xié)議棧，設(shè)置協(xié)調(diào)器、路由器和數(shù)據(jù)終端，組建基于ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集范圍可隨采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的增加而擴(kuò)大[2]。網(wǎng)絡(luò)先通過“多跳的方式”將多點數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短消息方式發(fā)送到遠(yuǎn)端的接收端。另外，通過使用GPRS模塊的TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，應(yīng)力數(shù)據(jù)可以同步傳輸?shù)絇C終端，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1 硬件平臺的設(shè)計

1.1 整體平臺

本文系統(tǒng)主要通過單片機(jī)分別控制無線發(fā)射模塊和GPRS模塊，通過從傳感器采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)2.4 GHz頻段信道傳送到終端發(fā)送節(jié)點，最后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)以短信模式發(fā)送出去。硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

微控制器MCU(Micro Control Unit)選用了MSP430F1611，它是具有超低功耗的16位單片機(jī)。在活動模式下，MSP430的功耗可以達(dá)到280 ?滋A。其次，12位帶采樣保持的A/D轉(zhuǎn)換模塊可以為傳感器數(shù)據(jù)采集提供模數(shù)轉(zhuǎn)換。兩路串行通信口USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)可以滿足通過SPI口對射頻模塊進(jìn)行控制的同時，還可以對GPRS模塊實現(xiàn)操作[3]。

無線收發(fā)芯片選用了TI公司的CC2420，這款芯片兼容IEEE 802.15.4無線收發(fā)芯片，性能優(yōu)良，功耗低，體積小，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要在外圍擴(kuò)充天線及16 MHz晶振等少許元件，就可以在2.4 GHz頻段使用。該芯片配有SPI口，便于與微控制器連接使用。本方案選用MSP430F1611作為微控制器，對CC2420進(jìn)行寄存器配置、讀取狀態(tài)位，以及控制收發(fā)數(shù)據(jù)等操作[4]。

GPRS模塊選用SIMCOM 300，它具有支持AT命令控制、RS232、TTL電平雙模式控制等優(yōu)點，十分有利于系統(tǒng)的應(yīng)用。

JTAG接口主要用于下載、調(diào)試程序，USB接口可實現(xiàn)與計算機(jī)直接通信。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器：本系統(tǒng)選用了傳統(tǒng)貼式應(yīng)變片，通過設(shè)計放大、保持電路，將形變量轉(zhuǎn)換成電信號。應(yīng)力數(shù)據(jù)采集部分將應(yīng)變片黏貼于橋梁模型上,輸出電壓為：

式中ε為應(yīng)變片電橋激勵電壓, ε為應(yīng)變片形變量，A為信號調(diào)理電路放大倍數(shù)。在本文所用橋梁模型中，輸出電壓信號范圍為1 V～2 V。

傳感器電路圖如圖3所示。

1.2 硬件連接

CC2420在通信中主要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳說明通信狀態(tài)。SFD引腳表明是否在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)幀；FIFO在接收中指示接收緩沖器中是否有數(shù)據(jù)；FIFOP用于指示接收數(shù)據(jù)的上限到達(dá)或者完整地接收幀；CCA用于查看信道是否為空。

CC2420與MSP430的連接非常方便。只需要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)；而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和儲存器。在訪問過程中，接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。在本方案設(shè)計中，MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。